L'induction électromagnétique | Terminale Bac Pro – Groupement 2
Dernière mise à jour : 11 juin 2026, 17:15
Toutes les formules nécessaires sont fournies dans les énoncés.
Au laboratoire, on relie une bobine à un voltmètre (aucun générateur dans le circuit), puis on déplace un aimant devant la bobine.
a) Quand l'aimant avance vers la bobine, une tension apparaît. ☐ Vrai ☐ Faux
b) Quand l'aimant est immobile, la tension est nulle. ☐ Vrai ☐ Faux
c) Quand l'aimant recule, le voltmètre dévie dans le même sens que lorsqu'il avance. ☐ Vrai ☐ Faux
d) Il faut un générateur dans le circuit pour observer une tension induite. ☐ Vrai ☐ Faux
Une ………………… du champ magnétique à travers un circuit fermé crée une ………………… dans ce circuit.
☐ Une bobine immobile dans un champ magnétique constant
☐ Une bobine immobile traversée par un champ magnétique qui varie
☐ Un cadre conducteur qui tourne dans un champ magnétique constant
☐ Un aimant posé à côté d'une bobine, sans aucun mouvement
1. a) Vrai — le champ magnétique à travers la bobine varie. b) Vrai — pas de variation, pas de tension. c) Faux — le voltmètre dévie dans l'autre sens. d) Faux — c'est justement l'intérêt de l'induction : la tension apparaît sans générateur.
2. Une variation du champ magnétique à travers un circuit fermé crée une tension induite dans ce circuit.
3. Cases 2 et 3 : bobine immobile dans un champ variable (cas 1 de l'induction) et cadre mobile dans un champ constant (cas 2, principe de l'alternateur). Dans les deux autres situations, rien ne varie : aucune tension induite.
On approche le pôle Nord d'un aimant vers une bobine reliée à un circuit fermé, comme sur le schéma ci-dessous.
☐ augmente ☐ diminue ☐ reste constant
☐ Le champ induit est dans le même sens que celui de l'aimant.
☐ Le champ induit est en sens inverse de celui de l'aimant.
1. Le champ magnétique à travers la bobine augmente (l'aimant se rapproche).
2. Le champ induit est en sens inverse de celui de l'aimant : il s'oppose à l'augmentation du champ.
3. La bobine repousse l'aimant : sa face tournée vers l'aimant se comporte comme un pôle Nord, qui fait face au pôle Nord de l'aimant. Tout se passe comme si la bobine « résistait » au rapprochement (loi de Lenz : opposition à la cause).
Un électricien utilise un groupe électrogène sur un chantier non raccordé au réseau. Le moteur thermique du groupe entraîne un alternateur dont voici les caractéristiques :
| Donnée | Valeur |
|---|---|
| Vitesse de rotation \(n\) | 3 000 tr/min |
| Nombre de paires de pôles \(p\) | 1 |
| Puissance mécanique reçue \(P_{\text{méca}}\) | 8 kW |
| Puissance électrique fournie \(P_{\text{élec}}\) | 6,8 kW |
| Rotor | • • | partie fixe qui porte les bobines |
| Stator | • • | partie tournante qui porte l'aimant |
\(f = \dfrac{n \times p}{60} = \dfrac{\ldots\ldots \times \ldots\ldots}{60} = \ldots\ldots\) Hz
\(\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{méca}}} = \dfrac{\ldots\ldots}{\ldots\ldots} = \ldots\ldots\)
1. Rotor → partie tournante qui porte l'aimant. Stator → partie fixe qui porte les bobines.
2. \(f = \dfrac{n \times p}{60} = \dfrac{3\,000 \times 1}{60} = \mathbf{50}\) Hz — c'est la fréquence du réseau électrique français.
3. \(\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{méca}}} = \dfrac{6{,}8}{8} = \mathbf{0{,}85}\), soit 85 %.
4. \(P_{\text{pertes}} = 8 - 6{,}8 = \mathbf{1{,}2}\) kW.
5. VAL : oui, le résultat est cohérent : le rendement d'un alternateur est toujours inférieur à 1 (0,85 < 1). Une partie de l'énergie mécanique est perdue sous forme de chaleur (effet Joule, frottements, pertes magnétiques).
Un technicien de maintenance industrielle vérifie un capteur de proximité inductif sur une ligne de production. Pour comprendre son fonctionnement, il refait l'expérience historique de Faraday : une bobine reliée à un voltmètre, et un aimant que l'on déplace.
1. L'induction électromagnétique est le phénomène par lequel une variation du champ magnétique à travers un circuit conducteur fermé crée une tension induite (et un courant induit si le circuit est fermé).
2. Quand l'aimant est immobile, le champ magnétique à travers la bobine ne varie pas. Or il n'y a induction que s'il y a variation du champ : sans variation, la tension induite est nulle.
3. Quand on éloigne l'aimant, le champ magnétique à travers la bobine diminue. D'après la loi de Lenz, le courant induit s'oppose à cette diminution : il crée un champ dans le même sens, et la face de la bobine tournée vers l'aimant se comporte comme un pôle Sud. La bobine attire donc l'aimant : elle s'oppose à son éloignement.
4. Loi de Lenz : le courant induit circule dans un sens tel que ses effets s'opposent à la cause qui lui a donné naissance.
Un technicien de maintenance intervient sur une petite éolienne alimentant un bâtiment agricole. La rotation des pales entraîne l'alternateur dont les caractéristiques sont :
| Donnée | Valeur |
|---|---|
| Vitesse de rotation du rotor \(n\) | 1 500 tr/min |
| Nombre de paires de pôles \(p\) | 2 |
| Puissance mécanique reçue \(P_{\text{méca}}\) | 40 kW |
| Puissance électrique fournie \(P_{\text{élec}}\) | 34 kW |
Formules fournies : \(f = \dfrac{n \times p}{60}\) ; \(\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{méca}}}\)
1. La partie tournante est le rotor (il porte l'aimant ou l'électroaimant) ; la partie fixe qui porte les bobines est le stator.
2. \(f = \dfrac{n \times p}{60} = \dfrac{1\,500 \times 2}{60} = \dfrac{3\,000}{60} = \mathbf{50}\) Hz.
3. \(\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{méca}}} = \dfrac{34}{40} = \mathbf{0{,}85}\), soit 85 %.
4. \(P_{\text{pertes}} = P_{\text{méca}} - P_{\text{élec}} = 40 - 34 = \mathbf{6}\) kW.
5. Deux causes parmi : pertes par effet Joule (échauffement des bobinages), pertes mécaniques (frottements dans les roulements), pertes magnétiques (courants de Foucault et hystérésis dans le noyau, dites « pertes fer »).
Un électricien doit alimenter un poste de travail de chantier qui nécessite une puissance électrique \(P_{\text{élec}} = 4{,}5\) kW. Il choisit un groupe électrogène dont l'alternateur a un rendement \(\eta = 0{,}90\).
Formule fournie : \(\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{méca}}}\)
1. \(P_{\text{méca}} = \dfrac{P_{\text{élec}}}{\eta} = \dfrac{4{,}5}{0{,}90} = \mathbf{5}\) kW.
2. \(P_{\text{pertes}} = 5 - 4{,}5 = \mathbf{0{,}5}\) kW (500 W).
3. VAL : \(P_{\text{méca}} = 5\) kW > \(P_{\text{élec}} = 4{,}5\) kW : c'est cohérent, car le rendement est inférieur à 1 — l'alternateur fournit toujours moins de puissance qu'il n'en reçoit. ✓
4. COM : L'alternateur ne convertit pas toute l'énergie mécanique en énergie électrique : son rendement est de 90 %. Une partie de l'énergie (ici 0,5 kW) est perdue sous forme de chaleur, à cause de l'effet Joule dans les bobinages, des frottements et des pertes magnétiques. Le moteur doit donc fournir 5 kW pour obtenir 4,5 kW d'électricité.
En travaux pratiques, on lâche un aimant puissant dans un tube vertical en cuivre (matériau conducteur, non magnétique). On observe que l'aimant descend nettement plus lentement qu'en chute libre. Lâché dans un tube en PVC de mêmes dimensions, le même aimant tombe normalement.
1. Pendant la chute, le champ magnétique de l'aimant varie à travers chaque portion du tube de cuivre (conducteur) : des courants induits apparaissent dans la paroi. D'après la loi de Lenz, ces courants s'opposent à la cause qui les crée, c'est-à-dire au mouvement de l'aimant : ils exercent une force de freinage. L'aimant descend donc lentement.
2. Le PVC est un isolant : aucun courant induit ne peut y circuler. Sans courant induit, aucune force d'opposition : l'aimant tombe en chute libre.
3. COM : Si les courants induits renforçaient le mouvement, l'aimant accélérerait de plus en plus tout en produisant de l'énergie électrique dans le tube : on créerait de l'énergie à partir de rien, ce qui est impossible (conservation de l'énergie). La loi de Lenz — l'opposition à la cause — est donc une conséquence directe de la conservation de l'énergie : l'énergie électrique induite est prélevée sur l'énergie mécanique du mouvement.
Un électrotechnicien participe à la maintenance d'un alternateur de centrale hydroélectrique. La turbine, entraînée par l'eau, tourne lentement : l'alternateur doit pourtant produire une tension à 50 Hz pour le réseau.
| Donnée | Valeur |
|---|---|
| Fréquence du réseau \(f\) | 50 Hz |
| Vitesse de rotation de la turbine \(n\) | 125 tr/min |
| Puissance électrique fournie \(P_{\text{élec}}\) | 47,5 MW |
| Rendement de l'alternateur \(\eta\) | 0,95 |
Formules fournies : \(f = \dfrac{n \times p}{60}\) ; \(\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{méca}}}\)
1. Le rotor (électroaimant) tourne devant les bobines fixes du stator : le champ magnétique qui traverse chaque bobine varie périodiquement, ce qui induit une tension alternative (induction électromagnétique, cas du circuit fixe dans un champ variable).
2. On isole \(p\) dans la formule : \(f = \dfrac{n \times p}{60} \Rightarrow p = \dfrac{60 \times f}{n} = \dfrac{60 \times 50}{125} = \dfrac{3\,000}{125} = \mathbf{24}\) paires de pôles. C'est un rotor à grand nombre de pôles, typique des centrales hydrauliques à rotation lente.
3. \(P_{\text{méca}} = \dfrac{P_{\text{élec}}}{\eta} = \dfrac{47{,}5}{0{,}95} = \mathbf{50}\) MW.
4. \(P_{\text{pertes}} = P_{\text{méca}} - P_{\text{élec}} = 50 - 47{,}5 = \mathbf{2{,}5}\) MW.
5. VAL : 2,5 MW < 3 MW : le résultat est compatible avec l'annonce du constructeur. ✓
Un technicien de maintenance contrôle l'alternateur d'un véhicule utilitaire de chantier. Cet alternateur recharge la batterie et alimente les équipements électriques du véhicule.
| Donnée | Valeur |
|---|---|
| Vitesse de rotation de l'alternateur \(n\) | 6 000 tr/min |
| Nombre de paires de pôles \(p\) | 6 |
| Puissance mécanique prélevée sur le moteur \(P_{\text{méca}}\) | 3 kW |
| Rendement de l'alternateur \(\eta\) | 0,70 |
| Tension du réseau de bord \(U\) | 14 V |
| Calibre du fusible principal | 200 A |
Formules fournies : \(f = \dfrac{n \times p}{60}\) ; \(\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{méca}}}\) ; \(P = U \times I\)
1. \(f = \dfrac{n \times p}{60} = \dfrac{6\,000 \times 6}{60} = \dfrac{36\,000}{60} = \mathbf{600}\) Hz.
2. D'après \(f = \dfrac{n \times p}{60}\), la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation \(n\). Or l'alternateur est entraîné par le moteur du véhicule, dont le régime change en permanence pendant la conduite : la fréquence produite varie donc avec le régime moteur.
3. \(P_{\text{élec}} = \eta \times P_{\text{méca}} = 0{,}70 \times 3 = \mathbf{2{,}1}\) kW (2 100 W).
4. \(P = U \times I \Rightarrow I = \dfrac{P_{\text{élec}}}{U} = \dfrac{2\,100}{14} = \mathbf{150}\) A.
5. VAL : \(I = 150\) A < 200 A : le fusible de 200 A laisse passer le courant normal de l'alternateur tout en protégeant le circuit en cas de surintensité. Il est correctement dimensionné. ✓